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新人教版 選擇性必修一
第一章 動量守恒定律
第6節 反沖運動 火箭
你知道章魚、烏賊是怎樣游動的嗎？它們先把水吸入體腔，然后用力壓水，通過身體前面的孔將水噴出，使身體很快地運動。章魚能夠調整噴水的方向，這樣可以使得身體向任意方向前進。章魚游動時體現了什么物理原理？
新課引入
1、反沖運動
(1).定義：當一個物體向某一方向射出(或拋出)它的一部分時，這個物體的剩余部分向相反方向運動的現象．
(2).特點：
①物體間相互作用突然發生，時間短，作用強。
②系統所受外力一般不為零，但遠遠小于內力。
新課講授
(3). 原 理：
遵循動量守恒定律
P' = P 即 m1v1 + m2v2 = 0 故有：
負號就表示作用后的兩部分運動方向相反
學習任務一：反沖現象
學習任務一：反沖現象
反沖運動實例：
思考：兩個小孩在光滑冰面上，你準備怎樣離開冰面？
學習任務一：反沖現象
做一做：
新課講授
學習任務一：反沖現象
做一做：
（1）應用：烏賊游泳；噴灌；噴氣式飛機；火箭等
（2）防止：槍射擊時槍身向后反沖等
學習任務一：反沖現象
反沖運動的應用和防止
二、光的折射
學習任務二：火箭
古代火箭：我國早在宋代就發明了火箭，在箭支上扎個火藥筒，火藥筒的前端是封閉的，火藥點燃后生成的燃氣以很大的速度向后噴出，火箭由于反沖而向前運動。
噴氣式飛機和火箭:飛行應用了反沖的原理，它們都靠噴出氣流的反沖作用而獲得巨大的速度。現代的噴氣式飛機，靠連續不斷地向后噴出氣體，飛行速度能夠超過1000m/s。
質量為m的人在遠離任何星體的太空中，與他旁邊的飛船相對靜止。由于沒有力的作用，他與飛船總保持相對靜止的狀態。這個人手中拿著一個質量為Δm的小物體。現在他以相對飛船為u的速度把小物體拋出。
1.小物體的動量改變量是多少？
2.人的動量的改變量是多少？
3.人的速度改變量是多少？
人和他拋出的小物體是一個系統以飛船為參考系拋出過程系統動量守恒以速度u的方向為正方向
Δ p物= Δmu -0 = Δmu
u
Δm
v
m
Δmu+ Δ p人=0
Δ p人= mΔv = -Δmu
分析
Δ p人= -Δmu
“思考與討論”
學習任務二：火箭
設火箭飛行時在極短的時間 t內噴射燃氣的質量是 m，噴出的燃氣相對噴氣前火箭的速度是u，噴出燃氣后火箭的質量是m。我們就可以計算火箭在這樣一次噴氣后增加的速度 v。
問題：火箭增加的速度 v與什么有關？
①燃氣的速度u，一般在2000m/s~5000m/s之間
②噴出物質的質量與火箭本身質量之比，燃料最多占火箭總重的90%，否則火箭的強度會出現問題
現代火箭工作原理：
學習任務二：火箭
新課講授
模擬火箭發射
學習任務二：火箭
M-m
V0
正方向
V=？
m
火箭發射前的總質量為M，燃料全部燃燒完后的質量為m，火箭燃氣的對地噴射速度為V0，燃料燃盡后火箭的速度V為多大？
【解析】在火箭發射過程中，內力遠大于外力，所以動量守恒。
設火箭的速度方向為正方向，
由動量守恒得：
0= mV -（M-m)V0
例題1
噴氣速度
質量比
火箭起飛前的質量
燃料燃盡后的火箭殼質量
質量比：火箭開始飛行時的質量與燃料燃盡時的質量之比。
例題
例題2
如圖，長為L 質量為M的船停在靜水中，一個質量為m的人（可視為質點）開始從船頭走向船尾，不計水的阻力，求：船和人相對地面的位移各是多少？
①人動船動，人停船停，人快船快，人慢船慢，人左船右；
②速度比等于質量的反比，位移比等于質量的反比；
解析：由動量守恒定律可知
由幾何關系可知
即
1、“人船模型”是動量守恒定律的拓展應用，它把速度和質量的關系推廣到質量和位移的關系。即：
m1v1=m2v2 則：m1s1= m2s2
2、此結論與人在船上行走的速度大小無關。不論是勻速行走還是變速行走，甚至往返行走，只要人最終到達船的左端，那么結論都是相同的。
3、人船模型的適用條件是：兩個物體組成的系統動量守恒，系統的合動量為零。
例題2
深入思考
現代火箭是指一種靠噴射高溫高壓燃氣獲得反作用力向前推進的飛行器，是實現衛星上天和航天飛行的運載工具，故又稱運載火箭。
現代火箭發動機的噴氣速度通常在2000～5000m/s，近期內難以大幅度提高。因此，若要提高火箭的速度，需要在減輕火箭本身質量上下功夫。火箭起飛時的質量與火箭除燃料外的箭體質量之比叫作火箭的質量比。這個參數一般小于10，否則火箭結構的強度就有問題。但是，這樣的火箭還是達不到發射人造地球衛星的7.9km/s的速度。
為了解決這個問題，科學家提出了多級火箭的概念。把火箭一級一級地接在一起，第一級燃料用完之后就把箭體拋棄，減輕負擔，然后第二級開始工作，這樣一級一級地連起來，理論上火箭的速度可以提得很高。但是實際應用中一般不會超過四級，因為級數太多時，連接機構和控制機構的質量會增加很多，工作的可靠性也會降低。
科學漫步
三級運載火箭
我國自1956年建立了專門的航天研究機構到現在，火箭技術有了長足的發展。截至2017年底，已經完成近300次各種衛星的發射任務，成功地實現了載人航天飛行，并在國際航天市場占有一席之地。我國的火箭技術已經跨入了世界先進行列。
運載火箭一般采用液體推進劑，第一、二級多用液氧、煤油或四氧化二氮。末級用液氧、液氫高能推進，稱為低溫液體火箭，技術比較復雜，目前只有美國、俄斯、法國、中國和日本等少數幾個國家掌握低溫液體火箭技術.
目前擁有運載火箭的國家有俄羅斯、美國、法國、英國、中國、日本、印度和以色列。當今世界上最大的運載火箭是俄羅斯的“能源”號，它長60米，底部最大直徑20米，重3000多噸，能將120噸的有效載荷送入近地軌道。迄今為止運載火箭均為一次使用的，成本高。一次發射，少的幾千萬美元，多的上億美元。不能重復使用，資源浪費大。
科學漫步
二、光的折射
當談達標訓練
某實驗小組發射自制水火箭，火箭外殼重2kg，發射瞬間將殼內質量為4kg的水相對地面以10m/s的速度瞬間噴出，已知重力加速度g=10m/s2，空氣阻力忽略不計，火箭能夠上升的最大高度為多少？
解：由動量守恒：
解得：
火箭上升的高度為：
mv1=Mv2
v2=20m/s
h=v22/2g=20m
二、光的折射
當談達標訓練
一質量為M的航天器正以速度v0在太空中飛行，某一時刻航天器接到加速的指令后，發動機瞬間向后噴出一定質量的氣體，氣體噴出時速度大小為v1，加速后航天器的速度大小為v2，則噴出氣體的質量m為多少？
解：規定航天器的速度方向為正方向，發動機噴氣過程中系統動量守恒，故由動量守恒定律可得：
解得：
Mv0=(M－m)v2－mv1
二、光的折射
當談達標訓練
載人的氣球原來靜止在離地面高為 h 的空中，氣球質量為 M，質量為 m 的人要沿氣球上的繩梯安全著地，如圖所示，則繩梯長度至少為多長？
解：以人和氣球為系統，在人沿繩梯著地的過程中動量守恒，有：
mh = Ms（s 為氣球上升的位移）
解得：
所以繩梯的總長度為：
二、光的折射
當談達標訓練
一個士兵坐在皮劃艇上,他連同裝備和皮劃艇的總質量共120kg,這個士兵用自動步槍在2s時間內沿水平方向連續射出10發子彈,每發子彈的質量是10g，子彈離開槍口時相對地面的速度是800m/s.射擊前皮劃艇是靜止的.
（1）連續射擊后皮劃艇的速度是多大
（2）連續射擊時槍所受到的平均反沖作用是多大
解：（1）設子彈的速度方向為正方向，
10mv1+（M﹣10m）v2=0
v2=-0.67m/s，負號表示：方向與子彈速度方向相反；
（2）對皮劃艇（包括槍與剩余子彈）：
Ft=（M-10m）v2-0
F=40.2N；
二、光的折射
當談達標訓練
火箭噴氣發動機每次噴出m=200g的氣體，噴出的氣體相對地面的速度為v=1000m/s，設火箭初始質量M=300kg，發動機每秒噴氣20次，在不考慮地球引力及空氣阻力的情況下，火箭發動機1s末的速度是多大？
也可以把20次氣體當作一次性噴出來處理。

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